WO2010116008A1 - Método de sincronización de flujos de datos transportados por una red de telecomunicaciones - Google Patents
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- WO2010116008A1 WO2010116008A1 PCT/ES2009/070097 ES2009070097W WO2010116008A1 WO 2010116008 A1 WO2010116008 A1 WO 2010116008A1 ES 2009070097 W ES2009070097 W ES 2009070097W WO 2010116008 A1 WO2010116008 A1 WO 2010116008A1
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- H04N21/00—Selective content distribution, e.g. interactive television or video on demand [VOD]
- H04N21/20—Servers specifically adapted for the distribution of content, e.g. VOD servers; Operations thereof
- H04N21/23—Processing of content or additional data; Elementary server operations; Server middleware
- H04N21/242—Synchronization processes, e.g. processing of PCR [Program Clock References]
Definitions
- the present invention relates, in general, to a method of maintaining synchronization, within predetermined limits, between an original data stream and the same data stream recovered after being transported by an affected telecommunications network for random delays.
- a first step is to take samples of the clock of the original signal and transmit them over the network, together with the signal, in the form of time, in order that the receiver can use them to correct the deviations of his own clock. These corrections will be made at intervals of time sufficiently small to ensure that the deviation between the two clocks is maintained within adequate precision ranges.
- This mechanism is generally the one used for video transmission; Timestamps are known as PCR (Program Clock Reference).
- each packet can reach its destination through different routes;
- the network congestion situations and the rest of the characteristics of non-connection-oriented networks based on packet switching mean that each of the packets can be affected by a different delay.
- a second step is to define minimum quality values of the QoS service of the network, in terms of the value of the jitter and the delay. However, this is not always possible and, when it is, only the extent of the problem can be reduced in part.
- the receivers of filters capable of eliminating or reducing said jitter are provided. This implies, in turn, supplying memory buffer receivers capable of absorbing variations in data flow, and procedures for maintaining and regulating the output flow of the aforementioned buffers from previously filtered time stamps.
- the accuracy requirements in the recovered clock are very high, usually several orders of magnitude below jitter values entered by the network. This implies the need to use filters with a very low cut-off frequency, which in turn lead to large buffers, which have the disadvantage of high coupling times and large delays in the signal delivered from the receiver.
- the present invention seeks to solve or reduce one or more of the aforementioned drawbacks, by a method of synchronizing data flows, transported by a telecommunications network, as claimed in claim 1. Embodiments of the invention are established. in the dependent claims.
- An object of the invention is to provide a method to compensate for all the predictable jitter that a telecommunication network will introduce into the timestamps of a data stream before being delivered to it.
- Another object of the invention is to provide a method for the recovery of the source clock of the data flow at the network output, from the time stamps affected by jitter.
- Still another object of the invention is to provide a method for the choice of the first time stamp used in the recovery of the data flow clock at the network exit.
- Another object of the invention is a method for selecting only Timestamps with useful information for clock recovery.
- Still another object of the invention is to select from those timestamps only those that contribute to a faster recovery of the clock.
- another object of the invention is a method of synchronizing the data flow transported by the network, after crossing it, with the recovered clock.
- Still another object of the invention is a rapid readjustment of the clock recovered when a change in the source of the source signal occurs, by using the information previously obtained from the network jitter.
- the result is, on the one hand, the generation of a data stream, to be transported by the telecommunications network, less vulnerable to the jitter and, on the other hand, the elimination of the distortion introduced by the delay differences in the flow recovered after crossing the network.
- Figure 2 shows a diagram of functional blocks that generate in one of its outputs, a data stream that will be transported by a telecommunications network according to the invention
- Figure 3 shows a diagram of functional blocks that receive the data stream transported by the telecommunications network from which the source clock according to the invention must be retrieved.
- Figure 1 schematically illustrates a telecommunications system according to the state of the art, where the transmitter comprises a synchronous data generation module 12, whose clock source is received from a source clock module 13, so that the data source 12 generates in one of its outputs a synchronous data signal that is supplied to an output unit 14, where it is adapted to be transported over a telecommunications network 11, to a desired destination.
- the transmitter comprises a synchronous data generation module 12, whose clock source is received from a source clock module 13, so that the data source 12 generates in one of its outputs a synchronous data signal that is supplied to an output unit 14, where it is adapted to be transported over a telecommunications network 11, to a desired destination.
- a synchronized data stream is generated with a clock 13, which is transported over a packet-oriented telecommunications network 11, to a desired receiver.
- the receiving side of the system comprises an adaptation unit of the input 15, which receives in one of its inputs the data flow transported by the packet network 11, so as to carry out the reverse step of the one carried out by the unit output 14.
- a clock recovery module 17 receives the output signal from module 15, so that from a local clock module 18, it is capable of recovering the source clock of the data.
- a data flow control module 16 receives the output signal of the input unit 15 and the clock signal recovered by the recovery module 17. The said flow controller 16 generates in one of its outputs an output data stream synchronized with the recovered clock, thereby obtaining a flow with identical synchronization characteristics as generated by the synchronous data source 12.
- a transmitter 12, 13 and 14 transmits a data stream, through the packet network 11, to a receiver 15,16, 17 and 18.
- the data stream recovered by the receiver accumulates a jitter from which is generated within the transmitter 12, 13 and 14, transmitted through the network 11, and recovered in the receiver 15, 16, 17 and 18.
- Each of the elements in the transmission chain mentioned above contributes, to a different extent , to the global jitter of the system, it being understood that the jitter is caused by a wide variety of causes: inaccuracy of the sampling clock, slicing and formatting of the original synchronous signal in transmission units by the output unit 14, different delays in each unit of transmission introduced by the network 11, extraction of the data flow from the transmission units by the input unit 15, inaccurate and variable recovery of the original clock on the reception side, etc.
- the synchronous data stream is chopped and formatted by the output unit 14, first network adapter, to construct information units that can be transported by the network 11.
- the input unit 15, second network adapter is responsible for performing the reverse operations to those performed by the first adapter 14.
- the speed in the reconstruction of the synchronization of the data flow is a function of the speed and precision with which the clock is recovered from the data flow received in the receiver 15 to 18.
- the difference between the source clock and the recovered clock is such that the transmitted and reconstructed data flow differ in their presentation speeds, resulting in situations that may become inadmissible depending on the applications : if the speed of the source flow is higher than that of the recovered one, the data cannot be output at the same rate as they enter and, therefore, it will be necessary to store them within the system, being a matter of time to overflow the memory resources used for it, and becoming inevitable to lose some of the data; If the rhythm of the source data is lower than that of the recovered data, it is a matter of time that the internal storage resources are emptied and a synchronous flow cannot be maintained at the receiver's output. [0038] The above is very critical in a television system. That is, if the rhythm of the images generated by a camera cannot be faithfully reproduced when delivered to a television, it will be necessary to shoot or repeat images after a number of time intervals.
- the decrease of the contribution to the jitter from the transmitting side and the elimination of the remaining jitter on the receiving side can be done by reducing the value of the deviation between the clock recovered on the side receiver, and the origin clock on the transmitter side.
- a source module 22 samples the source clock 23 at regular intervals of time, and is transmitted as a further packet of information within the synchronous data stream from a transmitter 21 to a receiver 31 on the network 11 of packages. These clock samples will be used by the receiver 31 to measure and correct the deviation of the output signal of a clock recovery module 37 with respect to the source clock signal 23 received.
- STC System Time Clock
- a time stamp extractor module 25 is responsible for taking samples of the original clock at regular periods of time, while a time stamp inserter module 26 formats and adapts these timestamps so that they can be inserted as a package within of synchronous data flow.
- the receiver 31 comprises a fixed-frequency local clock module 38 that generates and supplies a clock signal to a recovery clock module 37, which measures the number of pulses, according to said local clock, between the reception of 2 marks of PCR time received consecutively, within packets of the data stream transmitted from the transmitter 21.
- the clock recuperator 37 measures the deviation of the signal of its local clock 38 with the signal of the origin clock 23, such as the difference calculated between the number of pulses of its local clock 38 and the difference between two PCR marks of the origin clock 23.
- the clock recuperator 37 modifies the generated clock signal to fit the source clock signal 23.
- the packet network 11 also contributes to the jitter, translating in that the difference between sets of two consecutive PCR marks does not have to be constant. That is, each PCR mark may be affected by a different delay.
- the criterion of estimating the value is adopted maximum delay that a PCR packet may suffer depending on where it is inserted into the packet while it is being formed, before being delivered to the network 11, and which is dependent on the speed of the synchronous data flow.
- the time at which the PCR time stamp should be inserted into an output packet is measured.
- the output packet is not transmitted immediately, but it is stored in a first buffer memory module 27 of the transmitter 21 until the pre-set maximum time elapses.
- a flow control module 28 is responsible for adding an additional variable delay to each packet that contains a PCR tag, such that the sum of this artificially introduced variable delay and the variable delay dependent on packet formation, It constitutes a constant and equal delay for all packets that include PCR tags. That is, a variable delay is transformed into a higher, constant and controllable delay that, by definition, is exempt from jitter.
- the transmitter 21 includes the first buffer module 27, cascadable, according to the output direction of the transmitter 21, to the first network adapter 24.
- the memory buffer 27 is sized to retain the data flow for the time necessary to achieve the maximum preset delay.
- the transmitter 21 transmits to the network 11 a flow of data, including jitter-free PCR timestamp packets.
- the network 11 will introduce delays in the transported flow based on its own characteristics, this new jitter contribution being introduced purely randomly.
- the packets bearing PCR timestamps once received at an input of the receiver 31 via a second network adapter 35, will be used to reconstruct the clock signal generated by the origin clock 23, from its clock 38 local.
- Fo the frequency of the clock 23 origin of the transmitter 21
- APCR the difference between two PCR timestamps measured with a counter that moves with a Fo frequency clock.
- the clock 38 on the receiving side 31 has a fixed frequency Fr different from Fo, which is to be determined.
- the time difference between the arrival of two PCR marks at the receiver 31 measured with a clock counter 38 can be called ASTC.
- a jitter numerical value filtering module 39 is able, by means of the resolution of the equation below, to provide the information necessary for the clock 37 signal of the receiver's receiver 31 to be generated:
- the frequency deviation of the aforementioned clocks can be estimated based on the differences between two PCR marks, measured with the origin clock 23 and transmitted by the network 1 1, and the differences between the two STCs corresponding to the Arrival times of the PCR marks and measured with the clock 38 of the receiver.
- the term corresponding to the jitter is a sum tending to 0, as long as the number of samples N is large enough. Therefore, N must be large enough that the weight of the jitter term tends to be reduced, so that the distortion introduced by that term is negligible.
- the local clock recuperator 37 will continue to move with the local clock 38, but inserting or suppressing between two PCRs the number of pulses necessary to match the transmitter counter twenty-one.
- the PCR timestamps continue to be affected by the jitter introduced by the network 11. That is, the time represented by a
- PCR when said time stamp reaches receiver 31, it may have already passed, or on the contrary it may not have yet arrived. If a PCR mark reaches the receiver 31 and its value is lower than that indicated in the STC counter, the entire flow is retained until the values of both coincide. If, on the contrary, the PCR value has already expired in the STC, the flow is not retained until it is in the case described above.
- This flow control procedure is implemented by a flow control module 36, and it needs a second memory buffer module 40 to absorb its retentions.
- the combined action of modules 36 and 40 makes it possible to reconstruct the same flow output rate in the receiver 31 as that of the transmitter. For this to be true completely it is necessary to fill the memory 40 up to a certain threshold, which ensures the flow output when the PCR marks reach a slower rate.
- This initial filling of the second buffer 40 assumes that there is no output until a certain filling threshold has been reached. Once the threshold is reached, all the PCR that arrive and find that their time in the STC has not expired is stored in the buffer 40, while when no PCR marks arrive, the previously stored values will be taken out of memory 40. This mechanism ensures a constant data flow between consecutive PCR packets at the output of the receiver 31.
- the initial filling level of the second memory buffer 40 is controlled by offsetting the numerical values of the counters of the transmitter 21 and the receiver 31 in a constant term and exceeding the average value of the network delay 11 plus the maximum value of the Network Jitter 11 supported. [0066] It is desirable that the initial filling of the second buffer 40 be as small as possible but sufficient to ensure that the maximum expected jitter can be absorbed, because this filling is directly total transmission delay, which is desirable to reduce. [0067] In this environment, the initial value of the receiver counter 31 is fundamental in the recovery of the flow synchronism. On the one hand it must be greater than the average delay of the network 11 plus the maximum expected or admitted jitter.
- the STC counter 31 would be initialize with a value greater than necessary; or, on the contrary, it could happen that the package of the first PCR had arrived with a delay lower than the average and, therefore, the STC would have been initialized with a lower value than the essential one to absorb the jitter of the network i l.
- a first time stamp PCR selector module 34 is connectable to the second adapter module 35 to determine the first time stamp PCR affected with a reduced jitter. Based on the fact that the jitter follows a normal statistical distribution, two consecutive PCR marks are compared with each other and, in the case, that the numerical difference between them is very similar to the differences of the corresponding STC values, it could be Consider as clear evidence that both PCRs are affected by a similar jitter.
- J 1 is large, the stored values are discarded. If on the contrary it is small, the first PCR can be determined as a candidate for initial value.
- a first filter module 33 of useful timestamps is connected to the second adapter 35 and whose mission is to select only those PCR timestamps with useful information at the time of filtering in a second module of filtered 39 of the jitter.
- PCR marks that arrive were used in the second filter 39, it would result in an indiscriminate use of the same, since both the marks affected by a reduced jitter and those affected by a high one would have equal weight, and would be considerably reduced the performance of filter 39.
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Abstract
Método de sincronización de flujos de datos transportados por una red de telecomunicaciones con retardos aleatorios donde se compensa, entre otros, el jitter predecible que introducirá la misma en las marcas de tiempo de un flujo de datos antes de ser transportado por ella. Así mismo, el método de sincronización de flujos incluye un filtrado de las marcas de tiempo afectadas por el jitter remanente introducido por la red (11), y que servirá para su eliminación dentro de la tolerancia preestablecida. También se mejoran los recursos de memoria del receptor, como el retardo global del sistema, y se aceleran las características de rapidez de filtrado, mediante la elección de las marcas de tiempo mas apropiadas para conseguir tal fin.
Description
MÉTODO DE SINCRONIZACIÓN DE FLUJOS DE DATOS TRANSPORTADOS POR UNA RED DE TELECOMUNICACIONES
OBJETO DE LA INVENCIÓN
[0001] La presente invención se refiere, en general, a un método de mantenimiento de la sincronización, dentro de unos límites predeterminados, entre un flujo de datos original y el mismo flujo de datos recuperado después de ser transportado por una red de telecomunicaciones afectada por retardos aleatorios.
ESTADO DE LA TÉCNICA [0002] La utilización de redes asincronas orientadas a paquetes para el transporte de señales de datos síncronas ha sido una demanda histórica por parte de todos los operadores de telecomunicaciones. Este hecho se ha convertido casi en una necesidad con la amplísima difusión de las redes de internet basadas en el protocolo IP. [0003] Son tantas las ventajas de las redes IP desde el punto de vista de implantación, mantenimiento y unificación, que, en los últimos tiempos, sectores tradicionalmente considerados como puramente síncronos están poniendo su punto de mira en ellas. Tal es el caso, por ejemplo, de los operadores de señales de video y televisión, ya no solo en el mundo de la distribución si no también en el de la contribución.
[0004] Sin embargo, la generalización en la utilización de redes basadas en el protocolo IP para el transporte de señales de naturaleza síncrona, como el vídeo, no está exento de problemas, siendo, probablemente, el mas grave de todos ellos la necesidad de recuperar de forma precisa en el lado de recepción, detrás de la red IP, el reloj que temporiza la señal original en el lado de transmisión, es decir, antes de entrar en la red de telecomunicaciones.
[0005] Un primer paso consiste en tomar muestras del reloj de la señal original y transmitirlas por la red, junto con la señal, en forma de marcas de
tiempo, con objeto de que el receptor pueda utilizarlas para corregir las desviaciones de su propio reloj. Estas correcciones se efectuarán en intervalos de tiempo suficientemente pequeños para asegurar que la desviación entre los dos relojes se mantiene dentro de unos márgenes de precisión adecuados. Este mecanismo es, generalmente, el utilizado para la transmisión de vídeo; las marcas de tiempo son conocidas como PCR (Program Clock Referente).
[0006] Sin embargo, del necesario troceado de la señal síncrona en paquetes o unidades de transmisión, se deriva que cada paquete pueda llegar a su destino a través de diferentes rutas; además, las situaciones de congestión de la red y el resto de características propias de las redes no orientadas a conexión y basadas en conmutación de paquetes, generan que cada uno de los paquetes pueda verse afectado por un retardo diferente.
[0007] Estas diferencias significativas e impredecibles en el valor numérico entre los diferentes retardos de cada paquete se conoce como jitter. La degradación que producen en las marcas de tiempo valores altos de jitter introducidos por la red, dificultan notablemente la recuperación del reloj original en el lado receptor.
[0008] Un segundo paso consiste en definir unos valores mínimos de calidad del servicio QoS de la red, en cuanto al valor del jitter y del retardo. No obstante, esto no es siempre posible y, cuando lo es, solo se puede reducir, en parte, la magnitud del problema.
[0009] Como tercer paso, para minimizar la degradación de las marcas de tiempo debido al jitter de la red, se dota a los receptores de filtros capaces de eliminar o reducir el referido jitter. Esto implica, a su vez, suministrar a los receptores de bufferes de memoria capaces de absorber las variaciones de flujo de datos, y de procedimientos para el mantenimiento y regulación del flujo de salida de los antedichos bufferes desde las marcas de tiempo previamente filtradas.
[0010] No obstante, cuando la naturaleza de la señal a transmitir es vídeo en tiempo real y, además, se busca una calidad de contribución, los requerimientos de precisión en el reloj recuperado son muy elevados, normalmente varios órdenes de magnitud por debajo de los valores de jitter introducidos por la red. Esto implica la necesidad de utilizar filtros con muy baja frecuencia de corte, que conllevan, a su vez, bufferes de gran tamaño, que tienen el inconveniente de elevados tiempos de enganche y retardos grandes en la señal entregada desde el receptor.
[0011] Estos retardos en la señal y en el tiempo de enganche pueden llegar a ser inadmisibles en determinadas aplicaciones, como puede ser la transmisión de señales de televisión en directo y con retorno.
CARACTERIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
[0012] La presente invención busca resolver o reducir uno o más de los inconvenientes expuestos anteriormente, mediante un método de sincronización de flujos de datos, transportados por una red de telecomunicaciones, como es reivindicado en la reivindicación 1. Realizaciones de la invención son establecidas en las reivindicaciones dependientes.
[0013] Un objeto de la invención es proporcionar un método para compensar todo el jitter predecible que va a introducir una red de telecomunicaciones en las marcas de tiempo de un flujo de datos antes de ser entregados a la misma.
[0014] Otro objeto de la invención es proporcionar un procedimiento para la recuperación del reloj origen del flujo de datos a la salida de la red, a partir de las marcas de tiempo afectadas por jitter. [0015] Aun otro objeto de la invención es proporcionar un método para la elección de la primera marca de tiempo utilizada en la recuperación del reloj del flujo de datos a la salida de la red.
[0016] Otro objeto de la invención es un procedimiento para seleccionar solo
marcas de tiempo con información útil para la recuperación del reloj.
[0017] Todavía otro objeto de la invención es seleccionar de entre aquellas marcas de tiempo sólo las que contribuyen a una recuperación más rápida del reloj . [0018] Adicionalmente, otro objeto de la invención es un método para sincronizar el flujo de datos transportado por la red, después de atravesar la misma, con el reloj recuperado.
[0019] Aún, otro objeto de la invención es un reajuste rápido del reloj recuperado cuando se produce un cambio de la fuente de la señal en origen, mediante la utilización de la información previamente obtenida del jitter de la red.
[0020] El resultado es, por una parte, la generación de un flujo de datos, para ser transportado por la red de telecomunicaciones, menos vulnerable al jitter y, por otra parte, la eliminación de la distorsión introducida por las diferencias de retardo en el flujo recuperado después de atravesar la red.
[0021] Consecuentemente, la minimización de la influencia del jitter en las marcas de tiempo recibidas, permite la utilización de filtros mas pequeños, capaces de proporcionar con mayor rapidez un reloj recuperado más preciso, es decir, una mayor velocidad de enganche, un menor retardo global de la señal y un ahorro de recursos en bufferes de memoria.
[0022] Resumiendo, se consigue una mayor calidad de la transmisión, sin incrementar el coste global de los equipos implicados, con una elevada calidad de servicio sin incrementar las prestaciones requeridas de la red de transporte de telecomunicaciones utilizada. BREVE ENUNCIADO DE LAS FIGURAS
[0023] Una explicación más detallada de la invención se da en la siguiente descripción basada en las figuras adjuntas, en las que:
[0024] la figura 1 muestra un diagrama de bloques general descriptivo del estado de la técnica,
[0025] la figura 2 muestra un diagrama de bloques funcionales que generan en una de sus salidas, un flujo de datos que será transportado por una red de telecomunicaciones de acuerdo a la invención, y
[0026] la figura 3 muestra un diagrama de bloques funcionales que reciben el flujo de datos transportado por la red de telecomunicaciones a partir del cual se debe recuperar el reloj origen de acuerdo a la invención.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN [0027] La figura 1 ilustra esquemáticamente un sistema de telecomunicaciones según el estado de la técnica, dónde el transmisor comprende un módulo 12 de generación de datos síncronos, cuya fuente de reloj se recibe desde un módulo de reloj origen 13, de manera que la fuente de datos 12 genera en una de sus salidas una señal de datos síncronos que es suministrada a una unidad de salida 14, dónde es adaptada para poder ser transportada sobre una red de telecomunicaciones 11, hasta un destino deseado.
[0028] Resumiendo, se genera un flujo de datos sincronizado con un reloj 13, que es transportado sobre una red de telecomunicaciones orientada a paquetes 11, hasta un receptor deseado.
[0029] El lado receptor del sistema comprende una unidad de adaptación de la entrada 15, que recibe en una de sus entradas el flujo de datos transportado por la red de paquetes 11 , para que lleve a cabo el paso inverso del realizado por la unidad de salida 14. [0030] Un módulo 17 de recuperación de reloj recibe la señal de salida del módulo 15, de manera que a partir de un módulo de reloj local 18, es capaz de recuperar el reloj origen de los datos.
[0031] Un módulo 16 de control del flujo de datos recibe la señal de salida
de la unidad de entrada 15 y la señal de reloj recuperada por el módulo recuperador 17. El referido controlador del flujo 16 genera en una de sus salidas un flujo de datos de salida sincronizado con el reloj recuperado, obteniéndose, por tanto, un flujo con idénticas características de sincronismo que el generado por la fuente de datos síncrona 12.
[0032] Resumiendo, un transmisor 12, 13 y 14 transmite un flujo de datos, a través de la red de paquetes 11, a un receptor 15,16, 17 y 18. El flujo de datos recuperado por el receptor acumula un jitter desde que es generado dentro del transmisor 12, 13 y 14, transmitido a través de la red 11, y recuperado en el receptor 15, 16, 17 y 18. Cada uno de los elementos en la cadena de transmisión mencionados anteriormente contribuye, en diferente medida, al jitter global del sistema, entendiéndose que el jitter es provocado por una amplia variedad de causas: imprecisión del reloj de muestreo, troceado y formateado de la señal original síncrona en unidades de transmisión por la unidad de salida 14, diferentes retardos en cada unidad de transmisión introducidos por la red 11, extracción del flujo de datos desde las unidades de transmisión por la unidad de entrada 15, recuperación imprecisa y variable del reloj original en el lado de recepción, etc.
[0033] Aún más, como el flujo de datos es formateado en unidades de transmisión, todos los factores anteriormente mencionados afectan de forma diferente a cada una de dichas unidades, obteniéndose un retardo no uniforme y, por tanto, variable para cada una de ellas.
[0034] Se ha de observar que el flujo de datos síncrono es troceado y formateado por la unidad de salida 14, primer adaptador de red, para construir unidades de información que puedan ser transportadas por la red 11.
[0035] En el lado receptor, la unidad de entrada 15, segundo adaptador de red, se encarga de realizar las operaciones inversas a las realizadas por el primer adaptador 14.
[0036] La rapidez en la reconstrucción del sincronismo del flujo de datos es función de la velocidad y precisión con la que se recupera el reloj del flujo de datos recibido en el receptor 15 a 18.
[0037] Puede darse el caso de que la diferencia entre el reloj origen y el reloj recuperado sea tal que el flujo de datos transmitido y el reconstruido difieran en sus velocidades de presentación, dando lugar a situaciones que pueden llegar a ser inadmisibles según las aplicaciones: si la velocidad del flujo origen es superior a la del recuperado, los datos no podrán salir al mismo ritmo que entran y, por lo tanto, será necesario almacenarlos dentro del sistema, siendo cuestión de tiempo desbordar los recursos de memoria empleados para ello, y volviéndose inevitable perder parte de los datos; si el ritmo de los datos de origen es inferior al de los datos recuperados, es cuestión de tiempo que se vacíen los recursos internos de almacenamiento y no se pueda mantener un flujo síncrono en la salida del receptor. [0038] Lo antedicho es muy critico en un sistema de televisión. Es decir, si el ritmo de las imágenes generadas por una cámara no puede ser reproducido fielmente cuando se entregan a un televisor, será necesario tirar o repetir imágenes al cabo de un número de intervalos de tiempo.
[0039] Algunas de las fuentes que contribuyen al jitter global son predecibles y tienen su origen en fenómenos deterministas tanto en el lado del transmisor como en el lado del receptor.
[0040] Sin embargo, la mayoría de las fuentes de jitter que tienen su origen en la red 11, como congestión de la misma, posibilidad de elección de diferentes caminos por cada paquete para llegar al destino deseado, etc, son absolutamente impredecibles y, por tanto, siguen un patrón puramente aleatorio.
[0041] Consecuentemente, si se reduce la contribución al jitter de los retardos deterministas en el lado del transmisor y también en el lado del
receptor, se puede reducir substancialmente el jitter global del sistema.
[0042] En relación ahora con las figuras 2 y 3, la disminución de la contribución al jitter desde el lado transmisor y la eliminación del jitter remanente en el lado receptor se puede realizar reduciendo el valor de la desviación entre el reloj recuperado en el lado receptor, y el reloj origen en el lado transmisor.
[0043] Para realizar lo antedicho un módulo 22 fuente toma muestras del reloj 23 origen en intervalos regulares de tiempo, y se transmiten como un paquete mas de información dentro del flujo de datos síncrono desde un transmisor 21 hacia un receptor 31 sobre la red 11 de paquetes. Estas muestras del reloj serán utilizadas por el receptor 31 para medir y corregir la desviación de la señal de salida de un módulo recuperador de reloj 37 con respecto a la señal de reloj de origen 23 recibida.
[0044] Generalmente, el reloj 23 origen se denomina System Time Clock (STC), y las marcas de tiempo que se toman y transmiten se denominan
Program Clock Referente (PCR). Un módulo 25 extractor de marcas de tiempo es el encargado de tomar muestras del reloj origen en periodos regulares de tiempo, mientras que un módulo 26 insertador de marcas de tiempo formatea y adapta estas marcas de tiempo para que puedan ser insertadas como un paquete mas dentro del flujo de datos síncrono.
[0045] El receptor 31 comprende un módulo 38 reloj local de frecuencia fija que genera y suministra una señal de reloj a un módulo 37 de reloj de recuperación, que mide el número de pulsos, según dicho reloj local, entre la recepción de 2 marcas de tiempo PCR recibidas consecutivamente, dentro de paquetes del flujo de datos transmitido desde el transmisor 21.
[0046] Asimismo, el recuperador de reloj 37 mide la desviación de la señal de su reloj 38 local con la señal del reloj origen 23, como la diferencia calculada entre el número de pulsos de su reloj local 38 y la diferencia entre
dos marcas PCR del reloj origen 23.
[0047] Una vez establecida la antedicha desviación, el recuperador de reloj 37 modifica la señal de reloj generada para ajustaría a la señal del reloj 23 origen. [0048] Como se ha comentado anteriormente, la red 11 de paquetes también contribuye al jitter, traduciéndose en que la diferencia entre juegos de dos marcas PCR consecutivas no tiene porqué ser constante. Es decir, cada marca PCR puede estar afectada por un retardo distinto.
[0049] Para mejorar las características de aleatoridad en el retardo entre dos muestras PCR, y hacerlas así mas adecuadas para ser utilizadas por el recuperador de reloj 37 en la adaptación de la señal del reloj local 38, se adopta el criterio de estimar el valor máximo de retardo que puede sufrir un paquete PCR en función del lugar en el que es insertado dentro del paquete mientras se forma el mismo, antes de ser entregado a la red 11 , y que es dependiente de la velocidad del flujo de datos síncrono.
[0050] Una vez determinado este valor máximo, se mide el instante de tiempo en el que se debe insertar la marca de tiempo PCR en un paquete de salida. Cuando el paquete de salida está completamente formado no se transmite inmediatamente, si no que se almacena en un primer módulo de memoria buffer 27 del transmisor 21 hasta que transcurra el tiempo máximo prefijado previamente.
[0051] Un módulo de control de flujo 28 se encarga de añadir un retardo variable adicional a cada paquete que contiene una marca PCR, de tal manera que la suma de este retardo variable artificialmente introducido y el retardo variable dependiente de la formación de paquetes, constituye un retardo constante e igual para todos los paquetes que incluyen marcas PCR. Es decir, se transforma un retardo variable en un retardo superior, constante y controlable que, por definición, está exento de jitter.
[0052] Para tal fin, el transmisor 21 incluye el primer módulo buffer 27, conectable en cascada, según el sentido de salida del transmisor 21, al primer adaptador de red 24. El buffer 27 de memoria está dimensionado para retener el flujo de datos durante el tiempo necesario para conseguir el retardo máximo prefijado.
[0053] El resultado de lo antedicho es que el transmisor 21 transmite hacia la red 11 un flujo de datos, incluyendo paquetes con marca de tiempo PCR libres de jitter. Obviamente, la red 11 introducirá retardos en el flujo transportado en función de sus propias características, siendo esta nueva contribución de jitter introducido puramente aleatoria.
[0054] Los paquetes que portan marcas de tiempo PCR, una vez, recibidos en una entrada del receptor 31 vía un segundo adaptador de red 35, serán utilizados para reconstruir la señal de reloj generada por el reloj 23 origen, a partir de su reloj 38 local. [0055] Si llamamos Fo a la frecuencia del reloj 23 origen del transmisor 21, podemos denominar APCR a la diferencia entre dos marcas de tiempo PCR medidas con un contador que se mueve con un reloj de frecuencia Fo. Por otra parte, consideramos que el reloj 38 del lado receptor 31 tiene una frecuencia fija Fr diferente de Fo, la cual se desea determinar. [0056] La diferencia de tiempo entre la llegada de dos marcas PCR al receptor 31 medida con un contador de pulsos del reloj 38 la podemos denominar ASTC .
[0057] Un módulo 39 de filtrado de valores numéricos de jitter es capaz, por medio de la resolución de la ecuación de abajo, de proporcionar la información necesaria para que se genere la señal del reloj 37 del recuperador del receptor 31 :
Fo APCR N ^f
dónde: ASTC = STC 1+N - STC , APC^ = PCR 1+N - PCR 1 y siendo: i: el instante de tiempo correspondiente a una marca de tiempo cualquiera, y i+N: el instante de tiempo correspondiente a N marcas de tiempo después de instante i
[0058] Consecuentemente, la desviación de frecuencias de los antedichos relojes se puede estimar en función de las diferencias entre dos marcas PCR, medidas con el reloj 23 origen y transmitidas por la red 1 1, y las diferencias entre los dos STC correspondientes a los tiempos de llegada de las marcas PCR y medidas con el reloj 38 del receptor. El término correspondiente al jitter es un sumatorio tendente a 0, siempre y cuando el número de muestras N sea lo suficientemente grande. Por lo tanto, N deberá ser lo suficientemente grande como para que el peso del término de jitter tienda a un valor reducido, para que la distorsión introducida por dicho término sea despreciable.
[0059] Calculando las diferencias entre dos marcas PCR suficientemente alejadas entre ellas, es decir con un número N de PCR entre ellas suficientemente grande, el término de jitter dejará de tener influencia, y la relación entre STC y PCR será una buena estimación de la relación de frecuencias.
[0060] Una vez estimada la separación de relojes dentro de la tolerancia requerida, el recuperador de reloj local 37 se seguirá moviendo con el reloj 38 local, pero insertando o suprimiendo entre dos PCR el número de pulsos necesarios para coincidir con el contador del transmisor 21.
[0061] El resultado de este proceso es que en ambos lados, transmisión y recepción, se mantienen dos contadores perfectamente sincronizados en número de pulsos entre la llegada de dos marcas PCR, aunque la frecuencia de
los respectivos relojes encargados de moverlos sea diferente, y a pesar de la distorsión introducida por el jitter de red 11.
[0062] A pesar de tener sincronizados los contadores de los lados de transmisión y recepción, las marcas de tiempo PCR siguen llegando afectadas por el jitter introducido por la red 11. Es decir, el tiempo representado por un
PCR, cuando dicha marca de tiempo llega al receptor 31 , puede haber pasado ya, o por el contrario puede no haber llegado aún. Si una marca PCR llega al receptor 31 y su valor es inferior al indicado en el contador STC, se retiene todo el flujo hasta que los valores de ambos coincidan. Si por el contrario, el valor del PCR ya ha vencido en el STC, no se retiene el flujo hasta que no se encuentre en el caso descrito anteriormente.
[0063] Este procedimiento de control de flujo lo implementa un módulo de control de flujo 36, y necesita un segundo módulo buffer 40 de memoria para absorber las retenciones del mismo. La acción combinada de los módulos 36 y 40 permite reconstruir el mismo ritmo de salida de flujo en el receptor 31 que el del transmisor. Para que esto sea cierto completamente es necesario llenar la memoria 40 hasta un determinado umbral, que asegure la salida de flujo cuando las marcas PCR lleguen a un ritmo mas lento.
[0064] Este llenado inicial del segundo buffer 40 supone que no hay salida hasta alcanzado un determinado umbral de llenado. Una vez alcanzado el umbral, todos los PCR que lleguen y que encuentren que no ha vencido su tiempo en el STC se almacenan en el buffer 40, mientras que cuando no lleguen marcas de PCR se sacarán de memoria 40 los valores almacenados previamente. Este mecanismo asegura un flujo de datos constante entre paquetes PCR consecutivos a la salida del receptor 31.
[0065] El nivel de llenado inicial del segundo buffer 40 de memoria se controla desfasando los valores numéricos de los contadores del transmisor 21 y del receptor 31 en un término constante y superior al valor medio del retardo de la red 11 mas el valor máximo del jitter de red 11 admitido.
[0066] Es deseable que el llenado inicial del segundo buffer 40 sea lo más reducido posible aunque suficiente para asegurar que se podrá absorber el jitter máximo esperado, porque este llenado es directamente retardo total de transmisión, el cual es deseable reducir. [0067] En este entorno, el valor inicial del contador del receptor 31 es fundamental en la recuperación del sincronismo del flujo. Por una parte tiene que ser superior al retardo medio de la red 11 más el jitter máximo esperado o admitido.
[0068] Por otra parte tiene que ser tan reducido como sea posible para disminuir el retardo total del sistema. Además tiene que estar relacionado con los valores numéricos de las marcas PCR recibidas para poder implementar el control del flujo desde un módulo de control de flujo 36.
[0069] Si el valor inicial del contador del receptor 31 fuera meramente el del primer PCR recibido mas una constante, podría ocurrir que el PCR utilizado como referencia estuviera afectado por un retardo superior a la media y, por tanto, el contador del STC se inicializaría con un valor superior al necesario; o, por el contrario, podría ocurrir que el paquete del primer PCR hubiese llegado con un retardo inferior a la media y, por tanto, el STC se habría inicializado con un valor menor del imprescindible para absorber el jitter de la red i l .
[0070] En el primer supuesto se tendría un retardo mayor del necesario y en el segundo supuesto se vaciaría el segundo buffer 40 y, por tanto, se producirían interrupciones en el flujo recuperado.
[0071] La solución a esta situación es la elección del primer PCR que llegue con un retardo próximo al retardo medio de la red, es decir, afectado por un reducido jitter.
[0072] Un módulo selector 34 de primera marca de tiempo PCR es conectable al segundo módulo adaptador 35 para determinar la primera marca
PCR afectada con un reducido jitter. Basándose en el hecho de que el jitter sigue una distribución estadística normal, se comparan entre sí dos marcas PCR consecutivas y, en el caso, de que la diferencia numérica entre ellas sea muy parecida a las diferencias de los correspondientes valores del STC, se podría considerar como una clara evidencia de que ambos PCR están afectados por un jitter parecido.
[0073] Si por el contrario, la diferencia es elevada, se supone que, al menos, una de las marcas PCR esté afectado por un jitter elevado. Por tanto, se puede formular lo antedicho como sigue: J1 = APCR - ASTC
[0074] Si J1 es grande, se descartan los valores almacenados. Si por el contrario es pequeño, se puede determinar el primer PCR como candidato a valor inicial.
[0075] Si después de repetir el antedicho paso un número M de veces, se obtienen siempre unos valores de jitter reducidos, se puede determinar que cualquiera de los PCR recibidos, está afectado por un jitter reducido, siendo cualquiera de ellos un candidato válido al valor inicial.
[0076] Con este procedimiento se puede presuponer una inicialización óptima del segundo buffer 40, resultando una menor necesidad de memoria para los mismos resultados y con un retardo mas reducido.
[0077] Asimismo un primer módulo de filtrado 33 de marcas de tiempo útiles está conectado al segundo adaptador 35 y que tiene como misión seleccionar solo aquellas marcas de tiempo PCR con información útil a la hora de la realización de un filtrado en un segundo módulo de filtrado 39 del jitter. [0078] Si todas las marcas PCR que llegan fueran utilizadas en el segundo filtro 39, resultaría en una utilización indiscriminada del mismo, ya que tendrían igual peso tanto las marcas afectadas por un reducido jitter como las afectadas por uno elevado, y se reducirían considerablemente las prestaciones
del filtro 39.
[0079] Por tanto, excluyendo las marcas PCR afectadas por elevado jitter, se reduce el número de muestras N empleadas para asegurar unos valores bajos en J1
[0080] Cuanto mas reducido sea el valor numérico de J1 , menor número N de marcas PCR será necesario para obtener los mismos resultados. Por lo tanto, se descartan aquellas muestras PCR afectadas por altos valores de jitter. Consecuentemente, serán necesarios un número menor de muestras para conseguir los mismos resultados. [0081] Como el número de muestras afectadas por elevados jitter es menor que el de afectadas por reducido jitter, debido a la distribución gaussiana del jitter, el tiempo perdido al despreciar una muestra está ampliamente compensado por el tiempo ganado al tener que obtener un menor número de muestras, resultando que el enganche se lleva a cabo con mayor rapidez. Y, además, se requieren recursos de memoria inferiores.
[0082] El método utilizado para la elección de muestras de PCR útiles, es decir, afectadas por reducido jitter es equivalente al utilizado para seleccionar el valor inicial del STC.
[0083] Por tanto, se comparan los valores de muestras de PCR posteriores con valores de las muestras anteriores y se descartan todas aquellas que presenten unas diferencias, en sus correspondientes valores de STC, mas elevadas que un umbral preestablecido.
[0084] Además, si se observa la expresión (1) del filtrado del jitter, cuanto mayor sea el valor designado como APCR más pequeña será la influencia del término de jitter. Esto significa que si solo se utilizan marcas PCR separadas más de un determinado umbral, se necesitarán menos muestras que si se utilizaran todos los valores de PCR recibidos. Esta será la función del módulo de filtrado de marcas de tiempo con máxima información 32
[0085] Consecuentemente, serán descartadas las marcas PCR recibidas, cuya separación entre ellas sea menor que un umbral inferior. Las que lleguen en intervalos de tiempo mayores a los establecidos también se descartarán. Esto resultará en un filtrado de características equivalentes con una necesidad de memoria menor.
[0086] De todo lo antedicho se desprende que algunas de las actuaciones están encaminadas a reducir los requisitos de capacidad de memoria en el receptor. La importancia de este proceso estriba en que si se utiliza menos memoria, y manteniendo las características de filtrado, se puede utilizar toda la memoria disponible, que normalmente es un recurso limitado, en el almacenamiento de más muestras y, por tanto, se mejoran las características de filtrado a igualdad de memoria disponible.
[0087] La utilización conjunta de todos los procedimientos expuestos anteriormente lleva a una mejora notable de las características de recuperación del sincronismo de un flujo de datos transmitidos desde el transmisor 21 a un receptor 31 cuando es transportado por la red 11 asincrona, en los siguientes términos: velocidad de enganche de relojes, precisión en el sincronismo de los relojes de transmisión y de recepción, retardo total del sistema y recursos de memoria empleados en la sincronización. [0088] Pero aún más, la utilización por separado de cada uno de los antedichos procedimientos contribuyen por si solos a mejorar las características de recuperación de cualquier sistema de estas características.
[0089] Se puede dar la situación de un cambio de la fuente del reloj 23 síncrono en transmisión, manteniendo las características de la red 11 de transmisión.
[0090] En esta situación, si bien la relación de frecuencia de los relojes cambia, no cambian las características de jitter de la red 11. Este hecho es de especial importancia, porque el proceso más lento corresponde al filtrado del
jitter introducido de la red 11 , ya que exige la recepción de un número elevado de muestras de PCR en el receptor 31.
[0091] Consecuentemente, cuando se detecta un cambio de fuente de reloj de flujo, no se inicializa el proceso descrito anteriormente, si no que se conservan los valores almacenados en las memorias de filtrado, y se procede únicamente a un cambio en el valor numérico del valor del contador del STC; de manera que el tiempo empleado para la recuperación del reloj fuente se reduce al no ser necesario recalcular para su eliminación el jitter intrínseco de la red 11. Por tanto, al no ser necesario inicializar las memorias ante cualquier cambio detectado de la fuente de sincronismo, como resultado, el tiempo empleado para la recuperación del reloj fuente se reduce.
Claims
1. Método de sincronización de flujos de datos transportados por una red (11) de telecomunicaciones orientada a paquetes, caracterizado porque el método comprende el paso de adición de un retardo variable a cada marca de tiempo PCR incluida en un flujo de datos que es transportado por la red (11), capaz de compensar las diferencias de retardo variable introducidas en la adaptación del flujo a la red de transporte, de manera que todas las marcas de tiempo PCR presentan el mismo retardo total, siendo éste la suma de un retardo variable propio y del retardo variable añadido por una primera unidad de memoria (27) de un módulo de transmisión (21).
2. Método de sincronización de acuerdo a la reivindicación 1, caracterizado porque también comprende el paso del cálculo de la desviación de la frecuencia de un módulo (38) de reloj fijo con respecto a la frecuencia de un módulo (23) de reloj de origen, en un módulo (37) de recuperación de reloj, mediante la resolución en un módulo (39) de filtrado de la siguiente fórmula:
Fr ASTC 1 Λ τ
— = + — > J
Fo APCR N ^ donde:
Fr: Frecuencia del reloj (38) local en el lado de recepción,
Fo: Frecuencia del reloj (23) origen en el lado de transmisión, ASTC : Incremento de un contador de pulsos del reloj (38) disponible a la salida de la red (11) entre dos marcas de tiempo y calculado en el filtro (39),
APCR : Diferencia entre dos marcas de tiempo medidas en origen con un contador movido con el reloj de la fuente (23) y calculada en el filtro (39),
N: Numero de muestras de tiempo entre dos marcas PCR consideradas en el filtro (39),
J1 : Jitter introducido por la red (11) en cada una de las muestras de tiempo consideradas.
3. Método de sincronización de acuerdo a la reivindicación 2, caracterizado porque además comprende el paso de selección, en un módulo
(34) de selección de marca inicial de tiempo de un módulo de recepción (31), de la primera marca de tiempo PCR para recuperar el reloj origen STC del flujo de datos transportado, basándose en la elección como primera marca de tiempo aquella que presente una diferencia relativa entre su tiempo de llegada y los tiempos de llegada de las marcas recibidas con anterioridad, siempre dentro de un umbral mínimo preestablecido, y siendo realizadas estas medidas de diferencias de tiempos con un contador movido por el reloj local (38).
4. Método de sincronización de acuerdo a la reivindicación 3, caracterizado porque también comprende el paso de descartar, en un módulo (33) de filtrado de marcas de tiempo del módulo de recepción (31), aquellas marcas de tiempo PCR recibidas cuya diferencia relativa de sus tiempos de llegada con respecto a una marca de tiempo PCR anterior es superior a un predeterminado umbral.
5. Método de sincronización de acuerdo a la reivindicación 3, caracterizado porque también comprende el paso de descartar todas aquellas marcas de tiempo PCR recibidas cuya diferencia relativa con respecto a una marca de tiempo PCR anterior es inferior a un determinado umbral.
6. Método de sincronización de acuerdo a la reivindicación 2, caracterizado porque también comprende el paso de adición de un retardo variable (40), función del reloj recuperado, a cada marca de tiempo PCR comprendida dentro del flujo de datos recibido, que compensa el retardo introducido por la red (11), de manera que cada marca de tiempo PCR presenta el mismo retardo equivalente al retardo con el que fueron transmitidas.
7. Sistema de sincronización de flujos de datos transportados por una red (11) de telecomunicaciones orientada a paquetes, caracterizado porque comprende un módulo (21) de transmisión que transmite flujos de datos de acuerdo a la reivindicación 1, sobre la red (11) hacia un módulo (31) de recepción que recibe el flujo de datos para recuperar el reloj origen STC de acuerdo a las reivindicaciones 2 a 6.
8. Sistema de sincronización de flujos de datos transportados por una red (11) de telecomunicaciones orientada a paquetes, caracterizado porque ante cambios en la fuente de reloj origen (23), solo se vuelve a obtener el valor de marca de tiempo inicial de acuerdo a la reivindicación 3, sin reiniciar los valores calculados en los filtros de retardo (39) de acuerdo a la reivindicación 2, y acelerar de esta manera el proceso de reajuste.
9. Una unidad de transmisión de flujos de datos transportados por una red (11) de telecomunicaciones orientada a paquetes hacia una unidad de recepción (31); caracterizada porque el transmisor (21) incluye un primer módulo (27) de memoria adaptada para almacenar paquetes generados dentro del transmisor (21), donde los paquetes almacenados comprenden marcas de tiempo PCR a las que se les añadide un retardo variable, de manera que todas las marcas de tiempo PCR presentan el mismo retardo total, siendo éste la suma de un retardo variable propio y del retardo variable.
10. Unidad de recepción que recibe flujos de datos transportados por una red (11) de telecomunicaciones orientada a paquetes desde una unidad de transmisión (21); caracterizada porque el receptor incluye un módulo (36) de control de flujo conectable a un segundo módulo (40) de memoria adaptados para reconstruir el ritmo de salida del flujo de datos transmitido; de manera que la segunda memoria (40) es llenada hasta un determinado umbral, para asegurar la salida de paquetes, incluyendo marcas de tiempo PCR, del flujo de datos cuando los paquetes llegan a un ritmo mas lento.
11. Unidad de recepción de acuerdo a la reivindicación 10; caracterizada porque comprende el receptor (31) inclue un módulo (37) de recuperación de reloj adaptado para calcular la desviación de la frecuencia de un módulo (38) de reloj fijo con respecto a la frecuencia de un módulo (23) de reloj de origen, mediante la resolución en un módulo (39) de filtrado de la siguiente fórmula:
Fr ASTC 1 Λ τ
— = + — > J
Fo APCR N ^ donde:
Fr: Frecuencia del reloj (38) local en el lado de recepción,
Fo: Frecuencia del reloj (23) origen en el lado de transmisión,
ASTC : Incremento de un contador de pulsos del reloj (38) disponible a la salida de la red (11) entre dos marcas de tiempo y calculado en el filtro (39,)
APCR : Diferencia entre dos marcas de tiempo medidas en origen con un contador movido con el reloj de la fuente (23) y calculada en el filtro (39),
N: Numero de muestras de tiempo entre dos marcas PCR consideradas en el filtro (39),
J1 : Jitter introducido por la red (11) en cada una de las muestras de tiempo consideradas.
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Citations (2)
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| US20030066094A1 (en) * | 2001-09-29 | 2003-04-03 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Robust method for recovering a program time base in MPEG-2 transport streams and achieving audio/video sychronization |
| WO2005107268A1 (en) * | 2004-04-22 | 2005-11-10 | Scientific-Atlanta, Inc. | Rate limited control mechanism for mpeg pcr dejittering |
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2009
- 2009-04-08 WO PCT/ES2009/070097 patent/WO2010116008A1/es active Application Filing
Patent Citations (2)
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